Sustainable development is essential to ensure human well-being while preserving the life-support systems of the planet. However, the safe operating space of Earth is currently exceeded, preventing resources to regenerate and waste from being assimilated in time. Thus, sustainable development requires systemic transformations to align with the planet's carrying capacity, balancing economic, social, and environmental sustainability.

The United Nations adopted the Sustainable Development Goals (SDGs) in 2015 to end poverty, protect the planet, and ensure peace and prosperity by 2030. The 17 interconnected SDGs aim to balance social, economic, and environmental sustainability, with specific targets and indicators for progress. SDG7, which focusses on access to clean and affordable energy, is closely linked with other SDGs, reinforcing many 2030 Agenda targets but also presenting potential trade-offs. Addressing these challenges requires integrating qualitative and quantitative methods, and promoting participatory approaches for collective ownership and consensus-building.

This thesis explores the use and development of geospatial approaches to quantify and model synergies and trade-offs between energy and other sustainability dimensions such as water (SDG6), health (SDG3), food (SDG2), gender equality (SDG5), and climate (SDG13), asking the question of how can Geographic Information Systems (GIS) be used effectively to model the interactions between energy and selected Sustainable Development Goals (SDGs)? two main topics are identified to touch upon many of those interactions and recurrent in literature, as well as having potential to use geospatial approaches: spatial explicit modelling of water, energy, food (WEF) systems, and spatial explicit clean cooking energy access modelling. 

The strong interconnection between water, energy and food systems, calls for holistic planning to assess the impact that an action taken towards the sustainability of a resource (e.g. ease of water scarcity) may have on its interconnected systems (e.g. energy and food systems). Given the challenges of achieving these goals for water-stressed countries, the first research sub-question of this thesis aims at facilitating robust decision-making by quantifying how strategies to alleviate water scarcity in water-scarce regions impact energy and the overall dynamics of WEF Nexus systems. 

Papers I and II developed WEF Nexus models for Jordan and Morocco’s Souss-Massa river basin, focussing on key challenges such as water scarcity, agricultural productivity, energy use and climate change. The models used WEAP for water planning, MABIA for crop production, and a GIS-based model for energy analysis. The findings showed that desalination is necessary but must be combined with low-carbon energy. Improving agricultural water productivity benefits the WEF system overall, but has limited impact on municipal water scarcity. Reducing non-revenue water helps urban supply and energy use but can reduce water recharge in specific aquifers. Energy efficiency supports desalination and reduces emissions. Combined interventions yield the best results, and the switch to solar pumping in Souss-Massa was found to be viable both economically and environmentally. Finally, stakeholder involvement and shared decision metrics are crucial for addressing complex nexus issues. Furthermore, Paper III explores in detail how wastewater reuse in agriculture can affect the WEF system of the North Western Sahara Aquifer System. The results showed that the reuse of treated wastewater can ease groundwater stress, reduce energy use, and support sustainable development. Key recommendations include better water pricing, efficient irrigation, and decentralised wastewater treatment.

The second research topic focusses on the issue of achieving universal access to clean cooking energy. Around 2.1 billion people still rely on polluting fuels, leading to serious health risks, time burdens (especially for women and children), deforestation, and climate change. To capture these interactions, a spatial cost-benefit analysis was developed, comparing current cooking methods with cleaner alternatives, and assessing health, environmental, and economic impacts to identify the most beneficial clean cooking options.

In paper IV, the first open-source spatial cost-benefit analysis tool for clean cooking transitions, OnStove, was developed and applied to Sub-Saharan Africa. The results revealed a major market failure in the region, as traditional biomass use for cooking is predominant despite offering the lowest social benefits. Switching to cleaner stove mixes would yield major gains, but requires targeted policy support. Moreover, in Paper V, the OnStove approach is expanded by integrating stakeholder preferences to guide clean cooking policies in Nepal. This helped identify priority areas for action and supported more effective resource allocation in the government's subsidy plan for clean cooking technologies.

The main research question is answered by taking results from each article. GIS was a powerful tool that worked as an integrator of models and helped to fill data gaps. In WEF Nexus modelling, capturing spatial variability of resources and different topographic characteristics was essential to understand impacts on energy requirements and identify context-specific feedback loops. Spatial mapping also allowed matching supply and demand points, optimising the use of local resources. GIS methods also provided a more detailed understanding of the costs and benefits of achieving cleaner cooking transitions than was previously possible. The spatially explicit modelling approach can highlight geographical and socio-economic variations, enabling targeted policy interventions and reducing potential affordability constraints. Finally, the development of open-source methods allows scalability and replicability of the analysis in other countries, supporting open science and the achievement of the 2030 Agenda.

Hållbar utveckling är avgörande för att säkerställa mänskligt välbefinnande samtidigt som planetens livsuppehållande system bevaras. Jordens säkra operativa utrymme överskrids dock för närvarande, vilket förhindrar att resurser återbildas och att avfall assimileras i tid. Hållbar utveckling kräver således systemiska omvandlingar för att anpassas till planetens bärförmåga och balansera ekonomisk, social och miljömässig hållbarhet.

Förenta nationerna antog målen för hållbar utveckling (Sustainable Development Goals, SDGs) 2015 för att avskaffa fattigdom, skydda planeten och säkerställa fred och välstånd till 2030. De 17 sammankopplade SDGs syftar till att balansera social, ekonomisk och miljömässig hållbarhet, med specifika mål och indikatorer för framsteg. SDG7, som fokuserar på tillgång till ren och prisvärd energi, är nära kopplat till andra SDGs, vilket förstärker många mål i Agenda 2030 men också presenterar potentiella målkonflikter. Att hantera dessa utmaningar kräver integration av kvalitativa och kvantitativa metoder samt främjande av deltagande metoder för kollektivt ägarskap och konsensusbyggande.

Denna avhandling utforskar användningen och utvecklingen av geobaserade metoder för att kvantifiera och modellera synergier och målkonflikter mellan energi och andra hållbarhetsdimensioner såsom vatten (SDG6), hälsa (SDG3), mat (SDG2), jämställdhet (SDG5) och klimat (SDG13). Den ställer frågan om hur Geografiska Informationssystem (GIS) effektivt kan användas för att modellera interaktionerna mellan energi och utvalda mål för hållbar utveckling (SDGs). Två huvudämnen identifieras som berör många av dessa interaktioner och som återkommer i litteraturen, samt har potential att använda geobaserade metoder: rumsligt explicit modellering av vatten-, energi- och livsmedelssystem (WEF) samt rumsligt explicit modellering av tillgång till ren matlagningsenergi.

Den starka sammankopplingen mellan vatten-, energi- och livsmedelssystem kräver holistisk planering för att bedöma den inverkan som en åtgärd för en resurs hållbarhet (t.ex. att lindra vattenbrist) kan ha på dess sammankopplade system (t.ex. energi- och livsmedelssystem). Med tanke på utmaningarna med att uppnå dessa mål för vattenstressade länder, syftar avhandlingens första forskningsfråga till att underlätta robust beslutsfattande genom att kvantifiera hur strategier för att lindra vattenbrist i vattenfattiga regioner påverkar energi och den övergripande dynamiken i WEF Nexus-system.

Artiklarna I och II utvecklade WEF Nexus-modeller för Jordanien och Marockos Souss-Massa flodbäcken, med fokus på nyckelutmaningar som vattenbrist, jordbruksproduktivitet, energianvändning och klimatförändringar. Modellerna använde WEAP för vattenplanering, MABIA för grödproduktion och en GIS-baserad modell för energianalys. Resultaten visade att avsaltning är nödvändigt men måste kombineras med koldioxidsnål energi. Att förbättra jordbrukets vattenproduktivitet gynnar WEF-systemet överlag, men har begränsad inverkan på kommunal vattenbrist. Att minska icke-debiterat vatten hjälper stadens försörjning och energianvändning men kan skada specifika akviferer. Energieffektivitet stödjer avsaltning och minskar utsläpp. Kombinerade interventioner ger bäst resultat, och övergången till solcellsdriven pumpning i Souss-Massa befanns vara genomförbar både ekonomiskt och miljömässigt. Slutligen är intressenternas deltagande och gemensamma beslutsmetriker avgörande för att hantera komplexa nexus-frågor. Dessutom utforskar Artikel III i detalj hur återanvändning av avloppsvatten inom jordbruket kan påverka WEF-systemet i North Western Sahara Aquifer System. Resultaten visade att återanvändning av behandlat avloppsvatten kan lätta på trycket på grundvattnet, minska energianvändningen och stödja hållbar utveckling. Viktiga rekommendationer inkluderar bättre vattenprissättning, effektiv bevattning och decentraliserad avloppsvattenrening.

Det andra forskningsämnet fokuserar på frågan om att uppnå universell tillgång till ren matlagningsenergi. Cirka 2,1 miljarder människor förlitar sig fortfarande på förorenande bränslen, vilket leder till allvarliga hälsorisker, tidsbördor (särskilt för kvinnor och barn), avskogning och klimatförändringar. För att fånga dessa interaktioner utvecklades en rumslig kostnads-nyttoanalys som jämför nuvarande matlagningsmetoder med renare alternativ och bedömer hälsa, miljömässiga och ekonomiska effekter för att identifiera de mest fördelaktiga alternativen för ren matlagning.

I artikel IV utvecklades OnStove, det första rumsliga verktyget med öppen källkod för kostnads-nyttoanalys av övergångar till ren matlagning, och tillämpades i Afrika söder om Sahara. Resultaten visade ett stort marknadsmisslyckande i regionen, då traditionell användning av biomassa för matlagning är dominerande trots att den erbjuder lägst social nytta. Att byta till renare spismixar skulle ge stora vinster, men kräver riktat politiskt stöd. Dessutom utökas OnStove-metoden i Artikel V genom att integrera intressentpreferenser för att vägleda politiken för ren matlagning i Nepal. Detta hjälpte till att identifiera prioriterade områden för åtgärder och stödde en effektivare resursallokering i regeringens subventionsplan för teknik för ren matlagning.

Den huvudsakliga forskningsfrågan besvaras genom att ta resultat från varje artikel. GIS var ett kraftfullt verktyg som fungerade som en integrator av modeller och hjälpte till att fylla datagap. I WEF Nexus-modellering var det avgörande att fånga rumslig variation av resurser och olika topografiska egenskaper för att förstå påverkan på energibehov och identifiera kontextspecifika återkopplingsmekanismer. Rumslig kartläggning möjliggjorde också matchning av utbuds- och efterfrågepunkter och optimering av användningen av lokala resurser. GIS-metoder gav också en mer detaljerad förståelse av kostnaderna och fördelarna med att uppnå renare matlagningstransitioner än vad som tidigare varit möjligt. Den rumsligt explicita modelleringsmetoden kan belysa geografiska och socioekonomiska variationer, vilket möjliggör riktade politiska interventioner och minskar potentiella prisbegränsningar. Slutligen möjliggör utvecklingen av metoder med öppen källkod skalbarhet och replikerbarhet av analysen i andra länder, vilket stödjer öppen vetenskap och uppnåendet av Agenda 2030.